多晶硅还原炉电极防护装置的研究

杨 凡，陈文凯，张江涛，马维庆

（陕西有色天宏瑞科硅材料有限责任公司，陕西 榆林 719000）

随着全球光伏产业的快速发展，多晶硅生产企业面临的竞争日益激烈，进行技术优化、降低生产成本、提高产品品质对于多晶硅生产企业来说已刻不容缓，而对于制造业来说，提高设备完好率、降低生产成本既是一种管理手段，也是一种控制方法。

在国家可持续发展和绿色环保能源的开发利用政策不断加强的大背景下，近几年光伏产业迅猛发展，太阳能电池对多晶硅的需求量快速增加，导致国内外太阳能级多晶硅的需求量缺口不断增大。发展壮大中国多晶硅产业的市场条件已经具备，多晶硅产业在技术创新、生产工艺的进一步完善、项目的建设等各方面的发展时机已经成熟[1]。但是在使用还原炉生产多晶硅过程中，经常会遇到硅棒倒炉，损坏还原炉底座上电极情况，这一现象的频繁发生直接导致多晶硅生产企业的生产成本增加，成品率下降，且会使生产出现一定的滞后性，影响总产量。

1 目前国内多晶硅还原炉电极的现状

还原炉是多晶硅生产的核心设备，其技术水平直接影响到企业生产效率和采用工艺的先进性。电极是还原炉的核心部件，每台还原炉均装有数十件电极，每件电极的工作状态和可靠性都直接影响着整台还原炉设备的安全性能以及多晶硅产品的产量和质量。而电极能否整体可靠运行则取决于收获硅棒期间电极是否受到损伤，以及电极的工作可靠性。因此，提高电极的工作可靠性，保证电极不受到意外损坏，以此降低生产成本，这是本文研究和解决的关键之处。

目前生产多晶硅的生产工艺可分为流化床法、改良西门子法还有硅烷法等。流化床法生产多晶硅具有生产效率高、电耗较低、成本低的优点，但其缺点是产品质量受限，无法生产出高纯电子级多晶硅；改良西门子法节能降耗显著、成本低、质量好，所采用的综合利用技术对环境不产生污染，具有明显的竞争优势；硅烷法存在成本高、硅烷易爆炸、耗能高、安全性低的缺点，但此方法可产出产品质量纯度为12 N 的电子级多晶硅。相较而言，改良西门子法是生产工艺最为成熟、投资风险最小、最容易扩建的工艺，综合来看，目前国内外大都采用改良西门子法生产多晶硅。

受到多晶硅还原炉生产工艺限制，在多晶硅生产过程中，多晶硅还原炉内部的电极装置需要承受整个硅棒的全部重量，根据各个还原炉生产工艺的不同，硅棒的重量也大不相同，较小的硅棒质量有70～80 kg，较大的硅棒质量可达到200 kg。在硅棒发生倒炉时，电极容易被大质量的硅棒砸伤或者直接损坏而无法使用，同时单个电极采购成本较高，因此对多晶硅还原炉内部的电极进行防护，可降低多晶硅生产成本和设备维修成本，推进多晶硅生产运行的稳定性是此次研究的主要目的。本文主要阐述一种能将多晶硅电极防护起来的装置。

2 裸电极的不足之处

目前我国常用的还原炉电极均采用外部绝缘部件内套金属导体，外部绝缘部件为石英套筒，内部金属导体为电阻小、导电性好的导体，石英套筒外与还原炉底座采用法兰连接或螺栓连接（见下页图1），内部金属导体与还原炉底部采用螺栓连接。这种结构在实际生产中既能保证电极与底座间具有良好的绝缘性，又能保证电极本身在生产运行过程中具有良好的导电性，为生产多晶硅提供安全保障。但外部石英套筒和内部导体部分均容易受损，导体部分损坏后修复起来费时费力，石英套管破裂后则无法修复，只能更换，这就延长了多晶硅的生产周期，也增加了生产成本。一般情况下，还原炉棒数规格越大、硅棒重量越重，电极受损就越严重，因而这种倒炉现象长期困扰着多晶硅生产行业。

图1 石英套筒外与还原炉底座连接图

此外，电极内部导体部分修复后，与石墨卡件接触面积变小、电阻增大，在生产运行过程中，随着硅棒电流逐渐增大，电极导体部分与石墨卡件会产生局部高温，熔融的杂质容易沉积到硅棒表面，直接影响多晶硅棒质量。在电极更换过程中，可能会引入新的杂质，并对还原炉系统造成污染，继而引发后续多晶硅产品质量出现波动，同时频繁更换电极也增加了现场工作人员的工作量[2]。

经过反复试验和研究，多晶硅生产企业克服了现有技术的不足，提出一种设计合理、结构简单、制造成本低廉、防护性能高的多晶硅还原炉电极防护装置，从而解决了现行还原炉中电极导体强度不足、石英套筒容易损坏、更换和维修耗费时间等问题，提高了多晶硅还原炉设备整体完好率。通过不断试验和改进，该防护装置在结构和加工工艺上得到日益完善，并有大量试验结果证明该装置使用的可靠性。

3 多晶硅还原炉电极防护装置

对多晶硅还原炉电极防护装置进行研究，主要是需克服现行电极本身抗撞击效果差的缺点、降低生产成本，因此提供了一种设计合理、结构简单、制造成本低廉、防护性能高的多晶硅还原炉电极防护装置（见图2）。该装置由外护筒、内护筒、承接硅棒件、连接件等组成。外护筒直接放置在多晶硅还原炉底座上，内护筒放置在图1 中法兰上，内护筒高度将高于电极导体的最高处。电极防护装置的材质可根据生产的产品等级而选择，通常采用和还原炉底座同等级的材质制作而成，这样可避免在使用过程中因引进新杂质而影响产品质量，同时电极防护装置在每次产品收割完成后，可集中清洗，并重复回收利用。

图2 多晶硅还原炉电极防护装置

电极防护装置内护筒将保护图1 中绝缘部件石英套筒不受硅棒倒炉[3]时撞击，外护筒起到稳定支撑的作用，承接硅棒处是主要受力部分，承担着倒炉后硅棒的全部重量。硅棒倒炉后直接掉落在硅棒承接处，防止在硅棒撞击电极导体处形成不可修复的形变。硅棒承接处受到的力将通过外护筒、内护筒间接传递到还原炉底座上，不会造成还原炉和电极防护装置自身的损坏，此外电极防护装置可以像底座一样，清洗后重复使用，降低了生产成本的投入。

4 结论

在多晶硅生产工艺逐渐完善的情况下，如何降低生产成本，提高还原炉完好率，增加生产效率、提高产品质量显得尤为重要。将电极防护装置放置在多晶硅还原炉底座上，不占用底座的额外空间，也不影响电极本身的功能。硅棒收割前放置在底座内，有效避免引入新杂质，不阻碍正常的生产运行，降低了大质量硅棒在收割过程中倒炉造成的电极损坏发生率。该电极防护装置在现有还原炉的基础上增加的施工量很小，且其制造成本低廉，易于推广并大量使用。该电极防护装置的使用，将多晶硅生产过程中电极的完好率提高了约15%。